A TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK 2.5
A mikrokeménység-vizsgálat alkalmazása az ipari minőség-ellenőrzés területén Tárgyszavak: keménységmérés; mikrokeménység-mérés; Martenskeménység; bevonat; minőség-ellenőrzés.
Az anyag tulajdonságainak elemzése és a keménységmérés számos adatot szolgáltat a piac legkülönbözőbb területei számára. A keménység a definíció szerint az anyag ellenállása egy másik, keményebb anyag egyenletes behatolásával szemben. A Rockwell, Vickers és Brinell vizsgálattal meghatározott keménységértéket a vizsgálóerő megszüntetése után olvassák le. A szúrás közben végbemenő rugalmas alakváltozás hatását ezért figyelmen kívül hagyják. A terhelés növelése és megszüntetése közben folytonosan ellenőrizve a keménységet, a hagyományos keménységértéket kapjuk. Ezen túlmenőleg az ilyen műszerek lehetővé teszik a többi anyagi tulajdonság (pl.a beszúrási modulus, valamint a rugalmas és a képlékeny alakváltozás) regisztrálását. Az erő–szúrási mélység összefüggés alapján meghatározott valamennyi anyagi paramétert nemzetközi szabvány (DIN EN ISO 14577-1, műszeres keménység és anyagi paraméter mérés) írja le, ill. határozza meg. Mindezeket az értékeket egyetlen automatikus méréssel lehet meghatározni, értékelve a keménység–terhelés, a keménység–szúrási mélység és a szúrási mélység–terhelés összefüggések görbéjét. A módszer a vizsgált anyag kúszására és rugalmas relaxálására vonatkozó információkat is szolgáltat. Az anyag tulajdonságainak ez a kényelmes vizsgálati módszere feleslegessé teszi a szúrás helyének optikai ellenőrzését, ami előnyös, mert az optikai értékelés szubjektív hibákkal járhat. Az így kapott keménységértéket Martens-keménységnek (HM) nevezik. A Martens-keménység meghatározása a terhelőerő növelése alatt kialakuló erő–szúrási mélység összefüggés alapján végezhető el. A Martens-keménység a képlékeny és a rugalmas alakváltozást is jellemzi.
Ezért minden anyagra vonatkozóan kiszámítható ez a keménységérték. Miután a Martens-keménységet terhelés közben mérik, ezért az eljárás terhelés alatti dinamikus keménységvizsgálatként is felfogható. A Martens-keménység a definíció szerint az F mérőerőnek és az anyag felszínével érintkező szúrótest behatolása által létrehozott As(h) felületnek a hányadosa. Dimenziója N/mm2. A Vickers és a Berkovich szúrótestek esetében: HM =
F
A s (h)
=
F 26,43 × h 2
Az egyenlet szerint az anyag keménységének számításához elegendő meghatározni az F terhelést és a szúrótest h behatolási mélységét. Ezek az automatizált, műszeres szúrással végzett keménységmérések különösen azokban az esetekben előnyösek, amikor igen vékony és igen lágy bevonatokat kell vizsgálni. A réteg keménységének megbízható meghatározása érdekében a behatolási mélység nem haladhatja meg a rétegvastagság egytizedét. Az erre felhasznált műszerek egészen kis terhelési tartományok megválasztását teszik lehetővé, egészen néhány mikronewtonig. A hagyományos keménységvizsgálati módszerekkel nem volna lehetőség arra, hogy egy kemény rétegre gyakorolt néhány mikronewton terhelés után meghatározzuk a szúrás helyének méretét, mert ez nyilvánvalóan az emberi szem számára nem is látható. De ezen túlmenőleg a hagyományos keménységvizsgálati módszerek esetében a nagy vizsgálati terhelés következtében a szúrási mélység meghaladhatja a rétegvastagság egytizedét, aminek eredményeként a keménységértéket a hordozóanyag is befolyásolni fogja. Ami a legkellemetlenebb, a szúrás áthatolhat a teljes rétegvastagságon. Ilyen esetekben tehát olyan műszerekre van szükség, amelyek a mikro- és nanométeres terhelési tartományokban végzett mérésekre alkalmasak.
Ipari alkalmazás A mikrokeménység-mérésre általában festékek, fémek, kemény és lágy üvegbevonatok, kemény és lágy műanyag bevonatok, valamint gumi esetében kerülhet sor. A mikrokeménység-mérés alkalmazására tehát több különböző termék esetében van szükség. A gépjárműiparban a festék- és lakkbevo-
natoknak kellő vastagságúaknak kell lenniük, és meghatározott mechanikai tulajdonságokat kell mutatniuk. A keménységmérés alapján lehet következtetni a polimerizáció mértékére, a hőmérséklet hatására végbemenő keménységváltozásra, az időjárás hatásának érvényesülésére, a viszkózus-rugalmas tulajdonságok szempontjából a karcolással szembeni ellenálló képességre és a bevonat más jellemzőire is. Galvánbevonatok A galvanizáláskor mikrokeménység-méréssel kell meghatározni a bevonat funkcionális hatékonyságát. Így például a csatlakozók és egyes kapcsolók érintkezési felületeit aranybevonattal látják el. Ezek HM értéke az ötvözet összetételétől függően 1200–6000 N/mm2. Ilyenkor – költség okokból – mindössze 0,8 µm vastagságú réteget készítenek. A mikrokeménység-mérés eredményei alapján következtethetünk a réteg kopásállóságára és kötési tulajdonságaira. Gumicikkek A műszaki gumicikkek megbízhatóságát megkérdőjelezhetik az öregedés, a ridegtörékenység, az ibolyántúli sugárzás, vagy más hatások. Az anyag összetételétől és állapotától függően meghatározható (0,2 és 500 N/mm2 közötti) mikrokeménység alapján lehet következtetni a károsító hatás mértékére. Gumik esetében a mélység irányú rugalmas ellenállás elérheti a 99%-ot. Festék- és lakkbevonatok A gépjárműipar különösen érdekelt a mikrokeménység-mérésben. Fontos, hogy a festék rugalmassága mennyire képes követni az alapanyag hajlítását és nyúlását, külső jellegének megváltozása nélkül. Értékes információkhoz juthatunk a rugalmasságról az olyan nano- és mikrokemyénység-mérések révén, amikor a terhelést egy meghatározott tartományban fokozatosan növeljük, majd szabályozott körülmények között csökkentjük. Az ennél a mérési módszernél alkalmazott kis terhelés következtében gyakorlatilag rocsolásmentes a vizsgálat. A festékrétegek vizsgálatára is hasonló lehetőségek kínálkoznak. Kemény bevonatok A kemény bevonatok javítják az alakító- és forgácsolószerszámok terhelhetőségét. Például a titán-nitrid bevonat esetében a 20–25 kN/mm2
keménységű réteg igen jó kopásállóságot nyújt. Kiváló tulajdonságaik következtében egyre növekszik a mindössze néhány µm, vagy akár a néhányszor tíz-száz nanométer vastagságú bevonatok jelentősége. Szerszámokon és gépelemeken ma már gyakran alkalmazzák az 1–4 µm vastagságú kemény TiN, TiC, vagy gyémánt rácsszerkezetű karbonbevonatokat. Nanométer nagyságrendű vastagságban viszik fel az utóbbi években kifejlesztett, igen bonyolult összetételű, karcolásálló, a homok koptató hatásával szemben ellenálló, antisztatikus, fényvisszaverő, vagy töltéstároló bevonatokat. Az ilyen felhasználási területeken a minőségbiztosítás megbízható mikrokeménység-mérést igényel. Erre a célra a hagyományos keménységmérő műszerek csak részben alkalmasak, mivel a vizsgálatot túl nagy terheléssel végzik. Használatukkor a szúrócsúcs áthatol a bevonaton, és a védőréteg, valamint a hordozóanyag együttes keménységét méri. Ultravékony védőbevonatok A mikroelektronika és a miniatürizálás egyaránt megfelelő vizsgálati műszerezettséget igényel. Így például az elektronikai iparban a nyomtatott áramkörök vezetékelemei és bevonataik egyre keskenyebbek és vékonyabbak. Mivel a szúrási mélység a bevonatvastagságnak legfeljebb 10%-a lehet, ezért a vizsgálati terhelést minimumra kell csökkenteni. Az egészen vékony, nanométer nagyságrendű bevonatokat a merevlemezeken, a CD-ken és a DVD-ken alkalmazzák a kopásállóság javítása érdekében. Bevonatok szemüveglencséken A szemüveglencséket látásjavításra és munkavédelmi célokra használják. Az utóbbi esetben a védőszemüveg lencséjének bizonyos mértékig keménynek kell lennie a forgácsok és egyéb anyagok elleni védőhatás érdekében. A látásjavító szemüvegek anyagaként mindinkább szintetikus üvegeket használnak, mivel lényegesen könnyebbek és törésállóbbak, mint a normális üveg. A jelenleg használatos szintetikus üvegeken több, nanométer nagyságrendű, különböző vastagságú bevonatot alkalmaznak a karcokkal szembeni ellenállás, a kopásállóság és a reflexiós tulajdonságok javítása érdekében. Az ilyen vékony bevonatok mechanikai tulajdonságainak ellenőrzésére olyan nagypontosságú mérő-
rendszerek szükségesek, amelyek a pikométer nagyságrendű távolságellenőrzésre és néhány mikronewton nagyságrendű terhelés beállítására alkalmasak. Végeredményben a mikrokeménység-mérés technológiájának fejlesztési eredményei a legkülönbözőbb termékek minőségének javulásához járulhatnak hozzá. Összeállította: Dr. Barna Györgyné Lomax, P.: Invisible to the human eye. = Quality, 44. k. 9. sz. 2005. p. 38–43. Dawson, B.: Machine vision makes gaging easy. = Quality, 43. k. 9. sz. 2004. p. 34–38.
